Unity Gamma校正轉為線性空間

遊資網發表於2019-06-13
UnityGAM
Unity Gamma校正轉為線性空間

相信大部分了解圖形學的人，都聽說過Gamma校正或者Gamma空間，線性空間這些詞。這裡不對Gamma Space形成的歷史原因做過多描述。Gamma和Linear空間的一些原理，文章也很多，包括Unity官網的描述，都可以看看。

顯示器顯示的Gamma空間的顏色變化規律，對應了下圖中的黃色曲線。當美術在Gamma空間中，RGB（255,255,255）的顏色單位上，增加了1的顏色亮度，最後輸出顯示的亮度，其實是低於1的。這個差距，在特別暗的地方更加明顯，也就容易讓場景因為太暗，而看不清細節。我們公司的美術也表示，線性空間的效果其實更加直觀，而Gamma空間的顏色有可能會越疊越深。所以為了更好的美術效果，尤其是讓貼圖的陰暗處有更多的細節，將Gamma Space轉換為Linear Space還是相當有必要的。

基本思路，一般來說就是通過pow（1/Gamma）將顏色強度提高。下圖中的藍色曲線是pow（1/2.2）的近似數，pow（0.45），這樣就可以抵消掉黃色曲線的變化，使顏色變化可以趨於線性。

Unity Gamma校正轉為線性空間
三種函式的曲線

Unity Gamma校正轉為線性空間
Infinite 3D Head Scan by Lee Perry-Smith,licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License(available from www.ir-ltd.net)

雖然Unity 5.5開始，已經提供轉換工程為線性空間的功能，但是僅對OpenGLES 3.0及以上的裝置進行支援。詳細資料可以參考這篇Unity的Blog，可以看到，還有兩成左右的裝置是不具備這個條件的。所以如果專案組需要考慮低端機，尤其是考慮海外發行的話，就不能直接改變整個渲染空間。

因此替代的方法，是手動在Shader中，修改Colour Space。轉換空間用到的相關函式，Unity其實已經在Unity CG.cgnic中提供了，可以直接使用。

函式如下：

  1. inline float GammaToLinearSpaceExact (float value)
  2. {
  3.                 if (value <= 0.04045F)
  4.                         return value / 12.92F;
  5.                 else if (value < 1.0F)
  6.                         return pow((value + 0.055F)/1.055F, 2.4F);
  7.                 else
  8.                         return pow(value, 2.2F);
  9. }


  12. inline half3 GammaToLinearSpace (half3 sRGB)
  13. {
  14.                 // Approximate version from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
  15.                 return sRGB * (sRGB * (sRGB * 0.305306011h + 0.682171111h) + 0.012522878h);


  18.                 // Precise version, useful for debugging.
  19.                 //return half3(GammaToLinearSpaceExact(sRGB.r), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.g), GammaToLinearSpaceExact(sRGB.b));
  20. }
複製程式碼
  1. inline float LinearToGammaSpaceExact (float value)
  2. {
  3.                 if (value <= 0.0F)
  4.                         return 0.0F;
  5.                 else if (value <= 0.0031308F)
  6.                         return 12.92F * value;
  7.                 else if (value < 1.0F)
  8.                         return 1.055F * pow(value, 0.4166667F) - 0.055F;
  9.                 else
  10.                         return pow(value, 0.45454545F);
  11. }


  14. inline half3 LinearToGammaSpace (half3 linRGB)
  15. {
  16.                 linRGB = max(linRGB, half3(0.h, 0.h, 0.h));
  17.                 // An almost-perfect approximation from http://chilliant.blogspot.com.au/2012/08/srgb-approximations-for-hlsl.html?m=1
  18.                 return max(1.055h * pow(linRGB, 0.416666667h) - 0.055h, 0.h);
  19.                
  20.                 // Exact version, useful for debugging.
  21.                 //return half3(LinearToGammaSpaceExact(linRGB.r), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.g), LinearToGammaSpaceExact(linRGB.b))
  22. }
複製程式碼

其中主要用到的是GammaToLinearSpace()和LinearToGammaSpace()。下面將說一下，到底怎麼用這兩個函式。

主要的思路是，把從貼圖中讀取進來的顏色，同時也是Gamma Space下的顏色，進行一次轉換，轉換到Linear Space。之後對這些顏色資料進行原本要進行的處理。處理結束後，在輸出的時候，進行一次逆轉換，將這些顏色資料，從Linear Space轉換回Gamma Space。

以下是我實際使用的一段程式碼：

  1. <blockquote>half4 color = UNITY_SAMPLE_TEX2D(_MainTex, i.uv);
複製程式碼

補充一點，由於通道圖，一般來說，其實已經是線性的了，所以是不需要參與到這個轉換中的，直接用就好。但這段程式碼裡特別注意的一點是，最後轉換回Gamma Space的時候，我在Color上乘了一個Unity_ColorSpaceDouble。

最開始，我只進行了一個轉換回Gamma Space的方法，然後發現，場景不僅沒有變亮，反而變得更暗了。隨後查閱到一篇文章提到了，需要在最後轉回Gamma Space的時候，乘上一個值。

“與此相關的有，一個Unity提供的與色彩空間相關的值，Unity_ColorSpaceDouble。這個值在Gamma Color Space時為2，在Linear Color Space時為4.594（2的2.2次方）。對於這個值可以這樣來理解。一般在Gamma Color Space中將兩個Color值相乘後，為了避免顏色變得很暗，會在後面乘以2。”

也就是說，為了避免顏色變暗，應該擴大兩倍，但同時因為是線上性空間下，所以這個2要變成Unity_ColorSpaceDouble。

最後來看一下效果吧~

Unity Gamma校正轉為線性空間

Unity Gamma校正轉為線性空間

上圖為Gamma Space時的效果，下圖為做完一系列變換後的結果。可以看到，整體顏色變亮，尤其是暗部的亮度和細節都有明顯的提升。

Unity Gamma校正轉為線性空間

Unity Gamma校正轉為線性空間

可以看到特別暗的地方，在進行Gamma校正之後的變化也相對較大。所以這裡也需要注意一點，如果是專案已經進行了一段時期之後，想要進行Gamma校正，一定要同時修改光照等一系列引數，以避免一些地方的光照效果過曝。

作者：Luisa Z
來源：UWA
原地址：https://blog.uwa4d.com/archives/Usparkle_Gamma.html

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